Czerny-Turner型光栅光谱探测技术凭借其色散均匀、灵敏度高、光谱探测范围宽等优势成为现代光谱仪器研究的热点, 广泛应用在生物学、医学、材料科学等领域, 但受限于像散, 系统的成像质量和分辨力难以进一步提高。为解决上述问题, 提出了基于复曲面镜的高分辨Czerny-Turner光谱探测技术, 通过复曲面镜子午和弧矢方向焦距不同的特性来校正像散, 在保证C-T型光谱仪高灵敏、宽谱段优点的前提下, 改善成像质量, 提高系统分辨力。理论分析和实验结果表明, 复曲面镜消像散光谱仪样机基于10nm扫描间隔的光谱拼接技术, 在400~800nm工作波段范围内光谱分辨力达到0.020nm。为C-T型光谱仪的分辨力改进提供了一种可行途径。

传统Czerny-Turner光谱仪系统中，像散是影响光谱仪成像质量并限制其在分析领域中进一步应用的主要因素。针对这一问题，提出了柱面反射式消像散Czerny-Turner光谱仪高分辨探测技术。使用柱面反射镜校正系统像散，能够提高系统像质，在具有良好工艺性的同时，保证宽波段C-T光谱仪的实际分辨力。实验证明，柱面反射式消像散C-T光谱仪的分辨力在400~800nm的探测范围内可以达到0.02 nm。该技术能够提高光谱仪的性能，为高分辨宽波段的光谱仪研制提供可行方法。

传统Czerny-Turner结构的成像光谱仪存在固有的像散, 为选择合理的消像散结构。对现有的消像散方法进行了比较, 在不忽略光栅与准直镜和聚焦镜距离的情况下, 分析了传统Czerny-Turner光谱仪的零阶消像散条件, 推导出子午和弧矢焦长的表达式, 并利用MATLAB精确计算出零阶消像散的光学结构参数。此外, 分析了用超环面聚焦镜代替球面镜、加入柱面反射镜和柱面透镜等方法的消像散条件, 并在可见光波段分别对初始Czerny-Turner结构进行改进优化。所有方法在整个波段内都较好地校正了像散, 将平面光栅置于发散光路中的方法不引入复杂光学元件, 结构简单、加工成本低、易于装调, 最具推广价值。

为了降低紫外高分辨率罗兰光栅的像散对光谱像高展宽的影响, 提出了在罗兰圆上使用球面波非对称曝光设计思路。 推导完全校正离焦和子午彗差的表达式, 讨论了多种罗兰光栅记录结构的局限性, 优选适合校正紫外高分辨率罗兰光栅的优化方法。 通过全息光栅像面展宽表达式, 指出像散和弧矢彗差是影响光谱像高的主要因素, 并分配了两者的优化权重。 利用这种优化思路, 设计了工作波段110～200 nm紫外高分辨率罗兰光栅, 同时对比分析了传统光栅的像差系数和像高变化规律、 像面结构和光谱分辨率。 结果表明, 和传统罗兰光栅分辨率处于同一数量级的情况下, 所设计光栅光谱像高由25 mm降低到1.5 mm, 谱面能量集中度有显著的提高。

针对宽波段Czerny-Turner结构像散校正存在的问题，分析了影响光学系统像散校正的主要因素。基于发散光束照射平面光栅的像差理论，应用Matlab软件模拟分析了光学系统产生像散的原因和相应抑制方法的不足。讨论了了准直镜离轴角与聚焦镜离轴角的角度差值α和光学系统像散S之间关系，理论模拟了α取不同值时，宽波段C-T结构的全波段像散校正情况。为了验证理论分析的正确性，设计了光谱段为900~1 700 nm的消像散型光学系统，利用光学设计软件Zemax对该波段的光学系统进行了光线追迹和设计优化，并对设计结果进行处理和分析。结果显示: 随着角度差值的逐渐增大，短波波段像散校正能力越来越强，像散校正能力提高了1.6倍左右; 长波波段像散束缚能力越来越弱，像散校正能力平均降低了1.27倍左右。得到的结果表明: 角度差值的合理选取可以为宽波段Czerny-Turner结构的像散校正提供理论指导。

针对Czerny-Turner结构光谱仪宽波段像散很难同时校正的不足，提出了一种复合方法校正像散，即在一阶消像散方法校正宽波段像散的能力达到极限时，加入柱镜，利用柱镜的相反像散变化趋势，进一步补偿光学系统的剩余像散，推导出复合方法的边缘波段像散补偿公式。应用复合方法，设计了1个近红外900~1700 nm的消像散Czerny-Turner结构。Zemax的仿真结果表明，全波段全视场均方根（RMS）值均小于14 μm，调制传递函数(MTF)达到0.7以上，全波段的光谱分辨率为1.5 nm。保证了在高光谱分辨率的情况下，实现了近红外800 nm宽波段像散的同时校正，避免了能量的横向扩散。该设计方法同样适用其他波段的结构设计，对宽波段消像散型光学系统的设计具有指导意义。

主要针对Czerny-Turner结构在成像光谱仪系统中的应用进行了研究。 Czerny-Turner结构主要存在的像差为像散。 为了获得了该结构的完善消像散条件, 对其进行了理论分析和结构改进。 系统的基本结构不变, 仍由球面准直镜, 平面光栅和球面聚焦镜组成, 但在聚焦镜后添加了一个带楔角的柱面镜, 该柱面镜解决了子午方向和弧矢方向上存在大像散差的问题, 使系统可以在较宽的波段上实现较高的分辨率, 同时元件制作成本大大降低。 设计了一个工作在可见光波段(380~760 nm)的改进型成像光谱系统, 并对设计理论进行了验证。 例子成功设计了数值孔径0.05, 全视场全波段调制传递函数值在奈奎斯特频率(20 lp·mm-1)下大于0.59的高分辨率成像光谱仪光学系统。 这种改进的系统设计理论适用于小型宽波段高分辨率成像光谱仪。

主要对一种远心成像光谱仪系统, 即Dyson成像光谱仪进行了设计研究。 这种成像光谱仪结构简单紧凑, 仅由一个半球透镜和一个凹面光栅组成。 在Rowland圆与折射理论的基础上, 分析了Dyson成像光谱仪在宽波段下可消除像散的重要条件, 即光栅半径与半球透镜半径之比, 并获得了具备极高光学性能的光学系统参数计算条件。 为了使这种成像光谱仪更适宜于工程化应用, 又在其基础之上设计和分析了探测器表面脱离半球透镜的方法。 设计实例获得了数值孔径0.33, 工作波段0.38~1.7 μm, 狭缝长度15 mm, 像面表面成像斑均方根值半径小于2.5 μm的Dyson成像光谱仪结构和改进后的像斑均方根值半径小于8 μm的改进型Dyson成像光谱仪结构。 该设计方法和设计结果合理可行, 优化结构性能优越, 并可用于工业及遥感等多个领域。

针对Schwarzschild结构在成像光谱仪系统中的应用进行了研究。 以Schwarzschild结构的像散分析为基础, 获得了该结构的完善消像差条件; 之后, 对该结构进行了改进, 由准直镜和凸面镜, 以及凸面镜和聚焦镜分别组成了两个消像散的Schwarzschild结构, 从而构成了Schwarzschild成像光谱系统。 并给出了这种系统的各个光学参数的计算条件。 以一工作波段为340~500 nm的紫外-可见成像光谱系统为例进行了设计, 从而对设计理论进行了验证。 根据优化理论计算了初始结构最优解并进行光线追迹模拟, 成功设计了数值孔径0.125, 全视场全波段调制传递函数值在奈奎斯特频率(20 lp·mm-1)下大于0.58的高分辨率成像光谱仪光学系统。 这种结构的不同变形分别可以作为Czerny-Turner系统, Ebert-Fastie系统或者Offner系统应用, 设计结果也表明这种改进的系统设计理论适用于小型宽波段高分辨率成像光谱仪。

为满足大气痕量气体临边探测的迫切需求，克服传统CzernyTurner光谱仪由于像散大导致空间分辨率低的缺点，设计了一种可以在宽波段内同时校正像散的改进型CzernyTurner光谱仪，光谱范围为0.3～0.7 μm，全视场角为2.4°，焦距为120 mm，相对孔径为1∶6.将离轴抛物面镜与改进型CzernyTurner光谱仪匹配设计了一个临边探测仪光学系统并运用光学设计软件ZEMAX对临边探测仪光学系统进行了光线追迹和优化并对设计结果进行了分析，结果表明该系统的像散得到充分校正，光学系统在各个谱段的光学传递函数均达到0.69以上，完全满足设计指标要求，也证明了所提出的在宽波段内同时像散校正方法是可行的.